6.Порядок проведення роботи

1. Ознайомитись з фізичними основами методу РСМА.

2. Довести формулу Вульфа – Брегга.

3. Розібратись в призначенні елементів принципової схеми РЕМ.

4. Проаналізувати розподіл елементів по глибині лазернолегованого шару по наданим залежностям.

5. Проаналізувати розподіл карбідної фази в наплаленому шарі по наданих мікрофотографіях.

7. Зміст звіту

У звіті по лабораторній роботі повинно бути відображено наступне

• тема та мета роботи

• виведення формулу Вульфа – Брегга

• принципова схема РЕМ

• опис методик дослідження РСМА

• копії виданих матеріалів з їх аналізом

Контрольні запитання для самоперевірки і контролю підготовленості до лабораторної роботи

1. Які складові спектру рентгенівського випромінювання?

2. Які явища приводять до виникнення характеристичного випромінювання?

3. Навіщо потрібні кристали аналізатори?

4. Як проводиться дослідження хімічного складу по напрямку?

5. Як отримують зображення в обумовленому характеристичному випромінюванні і як вони аналізуються?

6. Від чого залежить чутливість методу РСМА?

7. Концентрацію якого з елементів сплаву системи Fe – B – C можна визначити достовірно при таких умовах

• товщина наплавленого шару 2мкм

• підкладка сталь У12

• діаметр електроного зонду 10мкм

і стандартних іншіх умовах?

Приклади застосування РСМІ у лазерній технології

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ФАЗОВОГО ТА СТРУКТУРНОГО СКЛАДУ НА МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ СТАЛЕЙ

Мета роботи. Провести кількісний аналіз фазових та структурних складових вуглецевих сталей у рівноважному стані. Визначити кількість вуглецю у сталях та сірих чавунах. Спрогнозувати ймовірні механічні властивості досліджених сплавів.

Прилади, матеріали, довідкове і програмне забезпечення роботи

1. Стенд для проведення металографічних досліджень до складу якого входять: металографічний мікроскоп МІМ - 8, веб-камера, компʹютер.

2. Мікрошліфи сплавів залізо – вуглець.

3. Програма для обробки зображень JmicroVision (http://www.jmicrovision.com/)

4.Додаток1. Механичні властивості доевтектоїдних сталей у рівноважному стані

Теоретичні відомості

Матеріали дослідження. У роботі досліджуються структура вуглецевих сталей та сірих чавунів у рівноважному стані. Вуглецевою сталлю зветься сплав заліза з вуглецем з концентрацією вуглецю від 0,025% до 2,14%. Маркування сталей залежить від класу до якого вони відносяться. У роботі використовуються якісні (мала концентрація шкідливих домішок), доевтектоїдні ( %С<0,8) сталі марки яких визначаються концентрацією вуглецю. Приклад їх маркування: сталь 30 (слово сталь обов’язково без скорочення), 30/100=%С. Чавуном зветься сплав заліза з вуглецем з концентрацією вуглецю більшої за 2,14%. Рівноважний стан - це структура сплаву, що отримана при дуже повільному його охолодженню з рідкого стану до кімнатної температури. Фазовий склад і структура сплаву визначають його міцнісні властивості. Міцнісні характеристики сплавів. Міцністю звуть здатність матеріалів витримувати навантаження не руйнуючись. Для кількісного оцінювання міцності проводять механічні випробування, серед яких найбільш

широко розповсюдженими є випробування на розтяг. Зразок визначених розмірів та форми деформується під дією розтягуючого навантаження F (рис.1).

Рис.1. Схема випробування на розтяг

Навантаження повільно збільшується, фіксуються наступні параметри:

• σ = F/S (S -площа перерізу зразка) - напруження, що діють у перерізі зразка

• ε = (l – l₀)/l₀ (l₀ – вихідна довжина зразку, l – довжина зразка після деформації) – відносне видовження.

Для вуглецевих сталей залежність σ від ε (діаграма розтягу) має вигляд, що приведений на рис.2. На діаграмі вказані крапки які виділяють характерні ділянки та напруження, що їм відповідають σ_пр, σ_т, σ_в.

Рис.2. Діаграма розтягу

А саме: О-1 – деформація має пружний характер, тобто при знятті навантажування зразок повертає вихідні розміри та форму. Отже σ_пр - границя пружності - це найбільше напруження при якому не виникають залишкові ( пластичні) деформації.

1. 2-3 – зразок деформується у часі (тече) при незмінному навантаженні. Отже σ_т – границя текучості це напруження при якому деформація збільшується при постійному значенні напруження.

2. 3 - 4 – ділянка зміцнення, тобто для подальшого зростання деформації потрібно збільшення напруження до точки 4, яка відповідає найбільшому можливому в даному матеріалі напруженню. Отже σ_в – границя міцності це найбільше напруження яке може витримати даний сплав.

3. 4 – 5 – ділянка знеміцнення, яка закінчується руйнуванням зразка у точці 5.

Крім характеристик міцності діаграма розтягу дозволяє визначити характеристику пластичності матеріалу – максимальне відносне видовження (δ). Значення δ розраховується по формулі

δ = (l₁ – l₀)/l₀ ×100% (1)

де – l₁ – довжина зразка після його руйнування.

Чим більша величина δ тим більша здатність сплаву пластично деформуватися без руйнування. Саме по цьому параметру матеріали діляться на пластичні (δ > 5%) та крихкі (δ< 5%). Значення σ_т, σ_в та δ сплаву залежать від його фазового складу та структури.

Фазові і структурні складові залізо - вуглецевих сплавів та їх вплив на механічні властивості. Після повного розплавлення компонентів сплав являє собою однорідну рідину. Кристалізації та перетворення у твердому стані можуть приводити до порушення однорідності – формуванню у сплаві різних фазових та структурних складових. Фазовою складовою (фазою) звуть однорідну частину сплаву яка має однакові наступні параметри

• агрегатний стан

• хімічний склад

• тип кристалічної решітки

Фаза відділена від іншою частиною сплаву межою розділу. У рівноважному стані сталі та чавуни можуть мати три фази:

1. Ферит або α- фаза – твердий розчин втілення вуглецю у ОЦК комірку α- Fe (рис.3). Концентрація вуглецю у фериті при кімнатній температурі дуже низька (%С=0.006), що дозволяє при розрахунках %С у сплаві нехтувати його присутністю у фериті.

Рис.3. Елементарна комірка фериту

2. Цементит – хімічне зʹєднання Fe₃C з концентрацією вуглецю 6,67%.

3. Структурно вільний вуглець – графіт.

Поняття «структурна складова» пояснимо на прикладі сталі 40 . На мікрофотографії сталі при збільшенні ×300 (рис.4а) видно дві зони, що відрізняються контрастом – світлі зерна з добре витравленими границями (ферит) та темно сірі зерна. Останні складаються з зерен того ж фериту, але пластинчатої форми і такої ж форми зерен цементиту, що добре видно при збільшенні 2000 (рис.4б). Цю сукупність зерен звуть структурною складовою сталі, що має назву перліт. Загальне визначення структурної складової сплаву – це відокремлені частини сплаву, що мають однакову будову з притаманними їм характерними особливостями.

×300 ×2000

а б

Рис.4. Мікрофотографія сталі 40 (а) та структура перліту (б)

Просторове схематичне зображення доевтектоідної сталі можна представити (рис.5) у вигляді матричної фази фериту (світлий обʹем) з

7

Рис.5. Схематичне зображення структури

доевтектоідної сталі

рівномірно розподіленими у просторі зернами перліту (сірі зерна). При вирізці зразку частина зерен перліту перерізається поверхнею різу. Для обємної долі перліту у сталі Р виконується співвідношення

Р = V₁/V = S₁/S (1)

де – V₁ – загальний обєм перліту у зразку з об’ємом V; S₁ – сумарна площина перерізу зерен перліту на поверхні мікрофотографії з площиною S.

Програма JmicroVision дозволяє отримувати гістограми почорніння на зображенні мікроструктури. На гістограмах по осі ординат нанесена шкала ступеня почорніння мікрофотографії від чорного (0) до білого (255) по осі абсцис – площина мікрофотографії ( у пікселях), що має дану ступень почорніння. Отже площина всієї гістограми (S_г) , яка вказана у перший строчці таблиці біля гістограми (рис.6) дорівнює S. Зменшенням

8

Рис.6. Гістограма розподілу почорніння на зображенні

мікроструктури сталі

максимальної освітленості до зображення найсвітліших перлітних зерен

Рис.7.Частина гістограми, що відповідає перліту

отримуємо частину гістограми, що відповідає перліту (рис.7) та її площину (S_1г). яка дорівнює S₁. Отже формула (1) приймає вигляд

Р = V₁/V = S₁/S = S_1г/S_г (2)

або у процентах %Р=( S_1г/S_г)×100

Оскільки питомі ваги перліту та сталі практично рівні, то формула (2) справедлива і для масового проценту перліту у сталі (мас%Р). Відомо, що масова концентрація вуглецю у перліті дорівнює 0,8мас%. Отже концентрація вуглецю у сталі дорівнює

мас%С = (S_1г/S_г)×0,8 (3)

З додатка 1 вибираємо марку стандартної сталі, що має концентрацію вуглецю найближчу до отриманого значення мас%С. Питома вага графіту дорівнює ρ_г = 2,34г/см³, питома вага чавуну дорівнює ρ_ч = 7,38г/см³. Тому перерахунок обємної долі графіту у мас%С_ч у чавуні треба вести по формулі

мас%С_ч = (S_1гг/S_г)×( ρ_г/ ρ_ч) (4)

де – S_1гг – частина гістограми, що відповідає графіту. Порядок проведення роботи

9

1. Одержати та зберегти у файлі мікроструктури сталей та чавунів (див. лабораторну роботу №15)

2. У початкове вікно програми JmicroVision ввести мікрофотографію структури сталі ( чавуну). Маємо (рис.8)

• Рис.8. Вікно програми після завантаження мікрофотографії

3. Послідовно виконуємо наступне: знімаємо прапорець з Thumbnail (ескіз), клікаємо General Description (загальний опис) та у вікні, що випаде обираємо 2D Measurment (двомірній вимір). Маємо (рис.9)

Рис.8. Вікно програми після виконання п.3

4. Послідовно виконуємо наступне: у верхніх іконках клікаємо квадрат, курсором наводимо квадрат на мікрофотографії по всьому розміру, клікаємо Show Histjgram (показати гістограму), на

5. гістограмі – Table, у вікні, що випаде – Statistiks, у таблиці, яка зявилася фіксуємо першу строку Pixels (34352 pix). Це загальна площина гістограми. Маємо (рис.10)

Рис.10. Вікно програми з гістограмою розподілу почорніння мікрофотографії

6. У Max зменшуємо рівень освітленості до рівня потемніння самих світлих зерен перліту, фіксуємо Pixels (3092) (Рис.11)

Рис.11.Кінцеве вікно програми

7. Розрахувати концентрацію вуглецю у сталях та чавуні. Вказати маркі сталей.

8. У Excel побудувати залежності характеристик міцності та пластичності від кількості вуглецю у сталях.

Звіт по роботі

Звіт по роботі повинен мати: 1. Роздруковані на принтері по два файли типу рис.10,11 для кожного зразка, 2. Розрахунки %С, маркі сталей. 3. Роздруковані на принтері залежності характеристик міцності та пластичності від %С у сталях.

12

Додаток 1. Характеристики міцності та пластичності якісних доевтектоїдних сталей у рівноважному стані

марка сталі	границя текучості, МПА	границя міцності, МПа	максимальне відносне видовження,%
сталь10 сталь15 сталь20 сталь25 сталь30 сталь35 сталь40 сталь45 сталь50 сталь55 сталь60 сталь65 сталь70	200 210 260 280 290 300 320 343 370 400 420 430 450	300 330 400 450 480 500 530 570 600 640 690 730 760	35 33 30 28 23 20 17 14 11 9 8 6 5