Порядок выполнения заданий

1. Ознакомиться с диаграммой состояния по данным методическим указаниям, по учебнику и лекциям.

2. Перевести очень точно через стекло на просвет или на ксероксе диаграмму состояния железо-цементит (сплошные линии) на чистый лист отчета, оставив справа место для построения кривой охлаждения (рис.1).

3. Нанести на диаграмму состояния состав сплава согласно своему варианту, указанному в таблице.

4. Описать процесс кристаллизации сплава заданного состава при охлаждении от 1600 до 600 °С в краткой форме (рис.2).

5. Подсчитать по правилу рычага количество равновесных фаз для сплава при заданных температурах согласно своему варианту (формулы (1),(2)).

6. Подсчитать по правилу рычага количество равновесных фаз для сплава при обычной температуре.

7. Построить графически кривую охлаждения для сплава заданного состава (рис. 1).

Контрольные вопросы

1. Какие линии на диаграмме состояния называются линиями ликвидуса?

2. Какие линии на диаграмме состояния называются линиями солидуса?

3. Процентное содержание углерода в эвтектическом чугуне, фазовый состав эвтектического чугуна.

4. Процентное содержание углерода в эвтектоидной стали, фазовый состав эвтектоидной стали.

5. Что называется кривой охлаждения?

6. Как определить количество равновесных фаз в сплаве?

7. Чем отличается цементит первичный при температуре выше 727°С от цементита первичного при температуре ниже 727 °С?

8. Что называется эвтектикой?

9. Что называется фигуративными линиями на диаграмме состояния?

10. Чем отличается цементит первичный от цементита вторичного?

Задание 3. Изучение микроструктуры стали и чугуна

Механические свойства сталей и чугунов непосредственно зависят от их структуры. Поэтому изучение структуры сталей и чугунов является необходимым.

Краткие теоретические сведения

Микроструктуру стали и чугуна изучают на аншлифах под обычным оптическим микроскопом. Для изготовления аншлифов вырезают образцы из исследуемых металлов. Одну из сторон образца сначала шлифуют, затем полируют, а после промывки в воде и сушки, для выявления границ зерен травят четырехпроцентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Подготовленную поверхность образца изучают под микроскопом.

Прежде чем изучать структуру стали или чугуна, надо ознакомиться с основными структурными составляющими (фазами) и их металлографическими признаками, по которым они легко различаются под микроскопом.

В табл.1 приведены основные структуры сталей и чугунов.

Доэвтектоидная сталь состоит из зерен феррита (Ф) и перлита (П) Светлые зерна - это феррит, темные или в виде темно-серой сетки зерна - это перлит. В строительных сталях с низким содержанием углерода (до 0,2%) перлит (темные участки) просматривается в виде мелких вкраплений среди светлого поля (зерен феррита). В машиностроительных сталях с содержанием углерода до 0,6% преобладают темные зерна перлита (табл. 2).

Эвтектоидная сталь состоит только из темных зерен перлита (П) (табл.2).

Заэвтектоидная сталь состоит из темных зерен (П), между которыми в виде светлой сетки видны зерна цементита (Ц).

Микроструктура чугуна зависит от химического состава и от скорости охлаждения чугуна при переходе его из жидкого состояния в твердое. При быстром охлаждении жидкого чугуна углерод выделяется в форме цементита. Такой чугун имеет белый блестящий излом и называется белым. При медленном охлаждении жидкого чугуна углерод выделяется из расплава в виде графита, который придает чугуну серый цвет в изломе, и такой чугун называется серым. Микроструктуры белых чугунов приведены в табл.2.

Доэвтектический белый чугун состоит из перлита (П), цементита (Ц) и ледебурита (JI) и имеет характерную структуру (табл.1), в которой перлит, образующийся при распаде ледебурита, виден в виде темных округлых вкраплений.

Эвтектический белый чугун состоит только из ледебурита, который представляет смесь светлых зерен цементита (Ц) и темных вкраплений перлита (П), располагающегося по границам крупных цементитных зерен и внутри них в виде очень мелких включений (табл.2).

Заэвтектический белый чугун состоит из ледебурита (П + Ц) и первичного цементита (Ц). Серые зерна ледебурита, усеянные мелкими темными включениями перлита, как бы пронизаны светлыми крупными пластинками первичного цементита (табл. 2).

Таблица 2

Составы и структуры железоуглеродистых сплавов

Серые чугуны различаются по структуре металлической основы и по строению графитных включений.

В серых чугунах графит кристаллизуется в форме узких вытянутых пластин, которые пронизывают зерна металлической основы (перлита или феррита + перлита или феррита). Перлит и феррит под микроскопом выглядят так же, как в стали; перлит - темные зерна, феррит - светлые. Микроструктуры серых чугунов приведены на рис. 3.

Рисунок 3. Микроструктуры серого чугуна

При отжиге белого чугуна цементит разлагается с образованием графита в виде хлопьев. Пластичность такого чугуна выше, и чугун называется ковким. Структуры ковкого чугуна приведены на рис.4.

Рисунок 4. Микроструктуры ковкого чугуна

При выплавке чугуна с присадкой небольшого количества магния или других модификаторов графит в чугуне получается в шаровидной форме (рис.5). Это повышает его прочность. Такие чугуны называют высокопрочными или модифицированными.

Рисунок 5. Микроструктуры высокопрочного чугуна

Разные структурные составляющие имеют разные свойства (табл.3). Поэтому изменение процентного отношения структурных составляющих в стали или в чугуне повлияет на изменение их механических свойств.

С помощью микроскопа можно провести количественные измерения. Например, по соотношению площадей, занимаемых перлитом и ферритом в сталях, можно определить содержание углерода в стали. В доэвтектоидной стали его вычисляют по формуле (1); а для заэвтектоидной - по формуле (4):

% С = 0,8 × F_п /100, (3)

% С = 0,8 ×F_п / 100+ 8,67 ×F_ц / 100; (4)

где F_п – площадь, занятая перлитом, %;

F_ц – площадь, занятая цементитом, %

Таблица 2

Состав и свойства структур железоуглеродистых сплавов

Название структуры	Состав структуры	Твердость НВ	Другие свойства
Феррит	Твердый раствор внедрения углерода (max 0,02%) в α-Fe	60-80	Мягок, пластичен, очень магнитен
Цементит	Химическое соединение Fe3C	800	Очень тверд, хрупок
Перлит	Эвтектоидная смесь феррита и цементита	180	-
Ледебурит	Выше 727 °С - эвтектическая смесь аустенита, и цементита, ниже 727 °С смесь цементита и перлита	700	Очень тверд, хрупок