Атлас введение
Настоящий атлас является учебным пособием к лабораторно-практическим занятиям по дисциплине «Материаловедение». Атлас содержит сведения о применяемости, структурах и свойствах ряда железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.
Следует обосновать выбор представленных в настоящем пособии материалов. Дело в том, что круг материалов, рассматриваемых в современных курсах «Материаловедения» входит широчайшая номенклатура – сплавы черных металлов, сплавы цветных металлов, множество неметаллических материалов, применяемых в промышленности. Этот объем непомерно велик для студентов машиностроительных специальностей изучающих материаловедение. Отсюда вытекает необходимость дифференцирования изучаемых материалов в зависимости от профиля специализаций учебного заведения (например, технологические факультеты железнодорожного или автотранспортного профиля или станкостроения и т.д.), а также от специфики промышленности региона, что также важно в силу того, что будущие специалисты будут работать в своем городе (регионе).
Отсюда следует наш выбор конструкционных материалов, представленных в данном пособии. Поясним на примере. Основными направлениями специализации промышленности Среднего Урала являются металлургия (преимущественно черная), машиностроение, продукция оборонной промышленности. Эти же отрасли составляют основу промышленности Нижнего Тагила. Базовыми предприятиями нашего города являются «Уралвагонзавод» и «Нижнетагильский металлургический комбинат». Продукция «НТМК» - сталь и чугун, продукция «УВЗ» - грузовые вагоны, цистерны, дорожные машины, оборонная продукция – на 99% изготавливаются из железоуглеродистых сплавов. Таким образом среди великого множества машиностроительных конструкционных материалов мы включили в круг рассматриваемых основные материалы применяемые при выпуске продукции «УВЗ».
1. Материалы, применяемые в транспортном машиностроении
1.1. Основные элементы микроструктуры стали и чугуна
Феррит. Микроструктура феррита как твердого раствора углерода, марганца, кремния, фосфора, хрома и других элементов α-железе состоит из светлых зерен (рис. 1). Лучшим реактивом для травления феррита является 4%-ный раствор азотной кислоты в спирте. Четкое выявление границ зерен получается после ряда повторных полировок, сопровождаемых травлением.
Рис. 1. Феррит; ×500. Светлые зерна α-железа, которые может содержать в твердом растворе до 0,006% углерода, а также некоторое количество марганца, кремния, фосфора, хрома и других элементов
Аустенит. Микроструктура аустенита как твердого раствора углерода и других элементов в γ-железе (рис. 2) состоит из светлых зерен с характерными двойниками.
Для лучшего выявления микроструктуры аустенита рекомендуется при изготовлении микрошлифов применять электролитическое полирование и электролитическое травление.
Рис. 2. Аустенит; ×500. Светлые зерна с характерными двойниками кристалла твердого раствора углерода и других элементов в γ-железе
Цементит. Микроструктура цементита как химического соединения железа с углеродом Fe3C (содержащего 6,67% С) или твердого раствора железа и других элементов на его основе имеет светлый выпуклый вид, например, выделившийся в виде сетки и игол из аустенита вторичный цементит (рис. 3) в неотожженной (сырой) высокоуглеродистой (заэвтектоидной) стали. При травлении обычными реактивами, ввиду химической стойкости цементита, он слабо разъедается и имеет так же, как и феррит, светлый вид. Отличить его от феррита можно или по его высокой твердости, или путем травления пикратом натрия, который окрашивает цементит в темный цвет (при этом феррит не окрашивается).
Рис. 3. Цементит вторичный в неотожженной заэвтектойдной стали; ×1000. Светлая сетка Fe3C, который может содержать в твердом растворе железо, марганец, хром и другие элементы.
Цементит также наблюдается в структуре в виде полос первичного цементита (рис. 4, а), выделившегося из жидкого сплава, и в форме мелкой сетки или частичек третичного цементита (рис. 4, б), выделившегося из феррита.
|
|
а |
б |
Рис.4. Цементит: а – первичный (массивные включения в заэвтектическом чугуне); ×200, б – третичный (мелкие включения и сетка в техническом железе); ×1500 |
|
Перлит. Эвтектоид, состоящий из мелких различной величины пластинок цементита, расположенных в феррите, называется пластинчатым перлитом (рис. 5). В случае, если цементит расположен в виде мелких зерен цементита различной величины в феррите, то такая структура называется зернистым перлитом (рис. 6). В чистых сплавах железа с углеродом перлит содержит 0,8% С. В сталях и чугунах, содержащих кремний, марганец и другие элементы, перлит содержит меньше углерода. Пластинки и зерна цементита своеобразно отражают свет, и поверхность протравленного микрошлифа напоминает перламутр, что дало основание назвать эту микроструктуру перлитом.
Рис. 5. Перлит пластинчатый; ×2000. Эвтектоид, состоящий из тонких пластинок цементита, расположенных в ферритной основе
Рис. 6. Перлит зернистый; ×2000. Эвтектоид, состоящий из мелких зернышек цементита, расположенных в ферритной основе
Особенно хорошо пластинки цементита в перлите можно наблюдать под электронным микроскопом (рис. 7), где ясно видны тонкие пластинки цементита, наклоненные под углом к поверхности микрошлифа.
Рис. 7. Перлит пластинчатый; ×30 000. Эвтектоид, состоящий из тонких пластин цементита, наклоненных под углом к поверхности микрошлифа и расположенных в ферритной основе
Весьма хорошим реактивом, обеспечивающим равномерное и четкое выявление структуры перлита, является 5%-й раствор пикриновой кислоты в этиловом спирте, который хорошо растворяет феррит, не загрязняет его продуктами травления, а на цементит почти не оказывает воздействия.
Ледебурит. Ледебурит, или цементитная эвтектика, состоит в момент образования из выделений аустенита, расположенных в цементите, а после охлаждения ниже Ar1 — из выделений перлита в цементите (рис. 8).
Рис. 8. Ледебурит; ×500. Эвтектика из характерных округлых темных включений перлита, расположенных в светлой цементитной основе