Програма підготовки до виконання роботи

1. Вивчити теоретичний матеріал за цим посібником та нижче поданою література турою.

2. Записати в зошит:

а) що називається технічним залізом, доевтектоїдною, евтектоїдною і заевтектоїдною сталями. Розглянути і зарисувати схеми їхніх мікроструктур та пояснити їх. Пояснити, чим відрізняється пластинчастий перліт від зернистого.

б) що називається білим чавуном. Указати хімічний склад білих чавунів; Описати властивості та сфери їхнього застосування. Розглянути і зарисувати схеми їхніх мікроструктур;

в) що називається сірим чавуном. Зазначити хімічний склад, маркування, механічні властивості, область застосування сірих чавунів. Розглянути і зарисувати схеми їхніх мікроструктур;

г) що називається ковким чавуном. Описати спосіб їхнього одержання. Навести графік відпалювання білого чавуну на ковкий з різною металевою основою. Зазначити їхній хімічний склад, маркування, властивості і сфери застосування;

д) що називається високоміцним чавуном. Описати спосіб його одержання, подати хімічний склад за основними елементами. Визначити марки високоміцних чавунів, їхні властивості і сфери застосування. Пояснити переваги високоміцних чавунів перед іншими, в тому числі і ковкими. Розглянути і зарисувати схеми мікроструктур ковких і високоміцних чавунів.

Література

1. Атаманюк В.В. Технологія конструкційних матеріалів: Навчальний посібник для вищих навчальних закладів. – К.: Кондор, 2006. – С. 178 – 214.

2. Технология металлов и материаловедение / Под ред. Л.Ф. Усовой. – М.: Металлургия, 1987.  С. 155 –164, 268 – 275.

3. Хільчевський В.В., Кондратюк С.Є, Степаненко В.О., Лопатько К.Г. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів: Навч. посібник. – К.: Либідь, 2002. – С. 104 – 110.

Завдання й методичні вказівки

1. За допомогою металографічного мікроскопа при збільшенні в 200…500 раз провести мікроаналіз зразків відпаленої низьковуглецевої, середньовуглецевої і високовуглецевої сталей твердістю відповідно НВ 120, НВ 150 і НВ 170.

2. Зарисувати і схарактеризувати структури, що спостерігаються в мікроскопі, визначити приблизний вміст вуглецю в сталях, а також кількісне співвідношення структурних складових. Указати сфери застосування розглянутих сталей у промисловості.

3. Зробити мікроаналіз трьох зразків чавуну твердістю НВ 140, НВ 220 і НВ 350. Зарисувати і схарактеризувати структури чавунів, указати умови одержання чавунів з цією структурою і приблизні сфери застосування кожного.

Контрольні запитання

1. Пояснити які сплави називаються технічним залізом? Схарактеризувати структуру і властивості технічного заліза.

2. Пояснити які сплави називаються доевтектоїдними, евтектоїдними, заевтектоїдними сталями? Схарактеризувати їхні структури і властивості

3. Пояснити як впливає концентрація вуглецю на властивості сталі?

4. Пояснити що називається чавуном? Як класифікують чавуни? Які чавуни називають білими, сірими, половинчастими, ковкими, високоміцними? Як їх отримують? Яка їхня структура, властивості, сфери застосування, маркування?

Лабораторна робота № 12.

ВИЗНАЧЕННЯ ВЕЛИЧИНИ ЗЕРНА В СТАЛІ

Мета: Познайомитися з різними методами виявлення зерна в сталі і навчитися визначати величину зерна, ко­ристуючись мікроскопом і еталонною шкалою.

Обладнання, матеріали й інструменти

Зразки середньовуглецевої сталі, муфельна піч, шліфуваль­ний верстат, наждачний папір, 4%-ний розчин азотної кислоти в спирті, спирт, металографічний мікроскоп, окуляр-мікрометр.

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Будь-який стальний виріб має полікристалічну будову, тоб­то складається з великої кількості зерен. Добре відомо, що від величини цих зерен залежать багато властивостей металу. Так, наприклад, ріст величини зерна різко знижує ударну в'язкість і підвищує поріг холодноламкості. Грубозерниста сталь більш схильна до утворення тріщин при гартуванні, дефор­мації і коробленні. Грубозернистість сталі сприяє зниженню її конструктивної міцності і підвищує крихкість, особливо у дета­лей, що мають концентратори напружень. Тому подекуди для характеристики металу потрібно знати величину зерна.

Більшість стальних деталей для надання їм необхідних властивостей піддають термічній обробці. При цьому вироби нагрівають вище критичних температур для одер­жання в них аустенітної структури. Величина зерна аустеніту, що утворюється, має значний вплив на властивості сталі після термічної обробки. Якщо зерно аустеніту виросло до великих розмірів, тоді продукти розпаду (перетворення) аустеніту, що утворюються при охолодженні, будуть грубокристалічними зі зниженими механічними властивостями. Якщо ж зерно аустеніту дрібне, тоді продукти його розпаду також одержу­ються дрібними, тобто величина зерна при наступному охолод­женні не змінюється. На рис. 12.1 показана схема зміни величини зерна перліту залежно від температури нагрівання в аустенітній області.

Рис.12.1. Схема зміни величини зерна перліту залежно

від температури нагрівання в аустенітній області

Розглянемо механізм процесу утворення аустенітних кристалів із перліту, коли сталь нагріта вище температури А_С1 (727 ⁰С) (рис. 15.2).

Центри кристалізації аустеніту виникають у кристалах фериту в тих місцях, де концентраційні флуктуації збагачення атомами вуглецю складають 0,8%. Імовірність росту аустенітного зародка, що знаходиться всередині об'єму феритного зерна, надзвичайно мала, оскільки для росту зародка потрібний неперервний притік атомів вуглецю, кількість яких у фериті дуже мала (0,02%). Найбільш сприятливими ділянками для утворення і росту кристалів аустеніту є ті зони зерен (пластинок) фериту, що прилягають до кристалів цементиту, тобто границі зерен між феритом і цементитом – структурними складовими перліту.

Оскільки ці границі дуже розгалужені, тому перетворення починається з утворення великої кількості дрібних аустенітних зерен. Розмір цих зерен характеризує величину початкового зерна аустеніту.

При подальшому нагріванні (або збільшенні тривалості витримки при відповідній температурі) одні зерна аустеніту ростуть за рахунок інших. Рушійною силою росту зерна аустеніту є різниця вільних енергій дрібнозернистої структури (де поверхнева енергія велика) і грубозернистої структури аустеніту (де поверхнева енергія менша).

При рості зерна атоми переходять (у результаті самодифузії) від сусіднього зерна аустеніту до того, що росте, через межу, внаслідок чого межі зерен переміщуються.

Інтенсивність росту аустенітного зерна залежить від вмісту вуглецю в сталі і швидкості дифузії.

Найбільш інтенсивно росте зерно аустеніту евтектоїдної сталі. Наявність надлишкових кристалів фериту або цементиту в сталях, відмінних від евтектоїдного складу, в межах температур двофазних областей гальмує ріст аустенітного зерна

Схильність до росту зерна в сталях різна. Розрізняють два типи сталей: спадково дрібнозернисту та спадково грубозернисту; перша характеризується малою схильністю до росту зерна, друга – підвищеною схильністю.

Зміну розмірів зерна при нагріванні двох принципово різних за кінетикою росту зерна сталей показано на рис. 12.2. Перехід через критичну точку А_С1 супроводжується різким зменшеннями величини зерна. При подальшому нагріванні зерно аустеніту в дрібнозернистій сталі не росте до 950…1000°С, після чого усуваються чинники, які перешкоджають росту, і зерно починає швидко рости. В грубозернистій сталі нічого не перешкоджає росту зерна, який і починається зразу ж після переходу через критичну точку.

Рис. 12.2. Схема росту зерна в спадково грубозернистій (Г) і спадково дрібнозернистій (Д) сталях

Під спадковою зернистістю варто розуміти схильність аустенітного зерна до росту.

Різна схильність до росту зерна визначається характером розкислення сталі і її складом. Сталі, розкислені тільки феромарганцем і феросиліцієм, належать до групи спадково грубозернистих сталей. Сталі, додатково розкислені алюмінієм, належать до групи дрібнозернистих. Сприятливий вплив алюмі­нію багато дослідників пояснюють стійкістю дисперсних частинок нітриду алюмінію ΑℓΝ, які при кристалізації сталі розмішують­ся по границях зерен, утворюючи бар'єри, які перешкоджають росту зерна при нагріванні. Однак таке гальмування росту зерна аустені­ту існує тільки до певної температури нагрівання, за якої від­бувається розчинення частинок ΑℓΝ, і зерно росте навіть у бі­льшій мірі, ніж в спадково грубозернистій сталі.

На величину зерна аустеніту впливає також швидкість нагрівання: з підвищенням швидкості нагрівання величина зерна аустеніту зменшується. Це пояснюється тим, що при великих швидкостях нагрівання швидкість зародження центрів (Ч.Ц.) аустеніту збільшується швидше, ніж швидкість росту кристалів аустеніту (Ш.Р.). Так, при підвищенні температури від 740 до 800 величина Ч.Ц. збільшується у 270 разів, тоді як Ш.Р. – тільки в 41 раз.

Більшість легувальних елементів гальмує ріст зерна аустені­ту. Найбільш різко сповільнює ріст зерна титан, цирконій, ва­надій, утворюючи розчинні в аустеніті карбіди (TiC, ZrC, VC), менш сильно - хром, вольфрам і молібден. Марганець і фос­фор збільшують схильність зерна аустеніту до росту.

Потрібно зазначити, що терміни "спадково грубозерниста" і "спадково дрібнозерниста" сталь не означають, що вона завжди буде мати грубе або дрібне зерно. Вони вказують лише на те, що при нагріванні до певних температур грубозерниста сталь буде мати більше зерно ніж дрібнозерниста (вище 727°С, але нижче 930…950°С).

Спадково дрібнозерниста сталь при достатньо високій тем­пературі може мати навіть більш грубе зерно аустеніту, ніж спадково грубозерниста сталь (див. рис.15.2.). Тому введене поняття про дійсне зерно, тобто зерно, отримане в сталі у ре­зультаті тієї або іншої термічної обробки.

Розмір дійсного зерна аустеніту визначається температу­рою нагрівання, тривалістю витримки при цій температурі і схиль­ністю цієї сталі до росту зерна при нагріванні.

Властивості сталі визначаються розміром дійсного зерна. Збільшення його розмірів порівняно мало впливає на σ_0.2, σ_в , δ, ψ, але різко знижує ударну в'язкість (роботу поширення тріщини) і підвищує поріг холодноламкості.

Спадкове зерно впливає в основному на технологічні властивості сталі. Спадково дрібнозернисту сталь можна нагріти до більш високих температур (1000… 1100°С), не допускаючи пе­регрівання сталі.

Дрібнозернисту сталь можна обробити тиском і закінчува­ти деформацію при більш високих температурах без перегрівання.

Зерно аустеніту виявляють різними методами ДЕСТ 5639-65): цементацією, окисленням, за феритною або цементитною сіт­кою і травленням границь зерен.

Метод цементації використовують для низьковуглецевих сталей. Зразки розмішують у залізному контейнері і засипають карбюризатором (наприклад, сумішшю ВаСО₃ з 40 або 60% деревно­го вугілля). Потім контейнер накривають кришкою або листовим азбестом і обмащують вогнетривкою глиною. Далі після повного прогрівання витримують у печі при 930°С протягом 8 годин. При цьому концентрація вуглецю в аустеніті, що перебуває в поверх­невому шарі, досягає заевтектоїдної концентрації. При наступ­ному повільному охолодженні по границях зерен виділяється вто­ринний цементит, що утворює суцільну сітку. Після охолодження виготовляють мікрошліф і травлять 4% - ним спиртовим розчи­ном азотної кислоти. Величина зерна визначається за цементитною сіткою, що знаходиться на границях колишніх аустенітних зе­рен.

М етод окислення використовують для конструкційних й інструментальних сталей. Приготовлений мікрошліф нагрівають до потрібної температури. Оскільки дифузія вуглецю по границях зерен більш інтенсивна, ніж по тілу зерна, тому він проникає по границях зерен на більшу глибину, внаслідок чого на по­верхні шліфу утворюється плівка окислів різної товщини.

Визначити величину зерна в сталі можна також методом ви­явлення феритної або цементитної сітки, що виділяється по гра­ницях колишніх аустенітних зерен. Феритна сітка спостерігається в доевтектоїдних сталях, цементитна – в заевтектоїдних.

З

Рис.12.3. Шкала зернистості сталі, (цифрами вказано бал зерна) х100

разки нагрівають у печі до температури 930°С (або до температури гартування) і охолоджують: вуглецеві доевтектоїдні сталі на повітрі, вуглецеві заевтектоїдні і низьколеговані (із швидкістю 50…100°С за 1 год.) до температури 720 …730°С, а потім у воді.

Потім виготовляють мікрошліф і виявляють зерно травленням 4%-ним спиртовим розчином азотної кислоти.

Величину зерна визначають під мікроскопом при збільшенні в 100 раз. Зерна, видимі на шліфі, порівнюють з еталонними зображеннями, поданими на рис. 12.3; величина зерна ета­лонів характеризується номером (балом). Сталі. в яких величина зерна відповідає 1-4-му балу, належать до грубозернистих, а сталі з балом зерна 5 ... 10 – до дрібнозернистих.

Величина зерна може бути визначена і підрахунком числа зерен, що припадають на одиницю поверхні шліфу.