Теоретические вопросы, расшифровка марок сталей и сплавов, диаграмма железо-цементит

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1. Задание 1. ………………………………………………………………….	3
2. Задание 2. ………………………………………………………………….	6
3. Задание 3. ………………………………………………………………….	9
4. Задание 4. ………………………………………………………………….	12
5. Задание 5. ………………………………………………………………….	15
6. Задание 6. ………………………………………………………………….	17
7. Литература ……………………………………………………………	19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 1. Дайте определение микроструктуре металлов и микрошлифу. Опишите процесс приготовления микрошлифа.

 

Визуальное изучение строения поверхности объектов без специальных увеличительных средств называют макроанализом, а наблюдаемую при этом структуру – макроструктурой.

Микроструктурным (металлографическим) анализом называют метод исследования поверхности металлов и сплавов  с помощью оптических (металлографических) микроскопов, позволяющих наблюдать объекты при увеличении до 2000 раз. Структура поверхности металлических объектов выявляемая при этом называется микроструктурой.

С помощью микроструктурного  анализа, или просто микроанализа, изучают  следующие параметры микроструктуры: форму, размер и строение зерен; фазовый состав сплавов; глубину покрытий; распределение неметаллических включений и т.д.

Микроструктурный метод  весьма информативен, надежен и прост, поэтому широко распространен в  практике, как технического контроля качества металлических изделий, так и исследований металловедческого характера.

Изображение микроструктуры получают в отраженном свете, который  несет информацию о поверхностном  микрорельефе исследуемой поверхности  объекта. Неровности на поверхности образца (например, следы механической обработки – микроцарапины) рассеивают падающий свет и при наблюдении в микроскоп выглядят темными. На рис.1 показана схема формирования изображения полированной поверхности образца (а) и поверхности с микроцарапинами (б).

В практике классического  микроанализа чаще исследуются специально подготовленные образцы, называемые металлографическим шлифом (микрошлифом), а также изломы.

В тех случаях, когда  требуется определить абсолютный размер зерна, структурной составляющей (однородный участок сплава) и др., используют окуляры с вкладышами, на которых нанесена шкала (окулярная линейка), и объект – микрометр, представляющий собой пластинку со стеклянной вставкой, на которой нанесена шкала. Объект – микрометр устанавливают на предметный столик микроскопа и совмещением шкал объект – микрометра и окулярной линейки определяют цену деления шкалы последней. Далее совмещением шкалы окулярной линейки и интересующего участка определяют его размер.

 

3

     Рис. 1. Схема формирования изображения в оптическом микроскопе

 

Микрошлиф – небольшой  образец (часть исследуемого объекта, детали), имеющий подготовленную для изучения микроструктуры поверхность. Место вырезки образца определяется целью исследования.

Выбранную поверхность  образца шлифуют на наждачном круге или вручную на наждачной бумаге (шкурке). В последнем случае шкурку располагают на стекле или ровной плите, а образец перемещают возвратно-поступательно с легким прижатием. Направление шлифования на перпендикулярное меняют при переходе на более мелкую шкурку (например, с №120 на №240), добиваясь при этом полного устранения рисок от предыдущего шлифования.

Для полного устранения рисок поверхность образца обрабатывают на полировальном станке, вращающийся  в горизонтальной плоскости диск которого обтянут специальным материалом (тонкое сукно, фетр). Круг при полировке периодически поливают водой с абразивным веществом (чаще всего – окись хрома). Полирование считается законченным, когда поверхность образца приобретает зеркальный блеск и на ней даже под микроскопом не видно рисок и царапин.

Приготовление микрошлифов  образцов малых размеров производится в оправках, в которые заливают образцы серой, акром или легкоплавким сплавом, или струбцинах.

Для создания поверхностного микрорельефа, отражающего внутреннее строение объекта исследования, поверхность образца подвергают химическому травлению. При этом режимы травления подбирают     таким    образом,     чтобы    получить   наиболее     развитый микрорельеф. Наиболее часто в качестве химического реактива при травлении микрошлифов углеродистых сталей используют 4%-ный раствор пикриновой или азотной кислоты в этиловом спирте.

При травлении микрообъемы  металла непосредственно вблизи границ зерен растворяются реактивом  в значительно большей степени, чем тело зерна. Поэтому на месте границ зерен формируются канавки, рассеивающие падающий свет и, следовательно, выглядящими при наблюдении в микроскоп темными (рис. 2).

 

Рис. 2. Схематическое увеличенное  изображение

поверхности неполированного образца (а)и микрошлифа после травления (б);

MN – плоскость шлифа

 

Сплавы могут быть однофазными – все зерна имеют одинаковое кристаллическое строение и одинаковый химический состав. Двухфазные сплавы состоят из двух типов зерен (структурных составляющих), каждый из которых имеет индивидуальную кристаллическую решетку, характерный для него химический состав, различную химическую травимость. При анализе микрощлифа можно не только установить тип сплава (см. рис. 3), но и дать характеристику микроструктуры (например, зернистая или оболочковая и др.).               

             

    Рис. 3. Разновидности объемного  строения сплавов:  а – однофазная;  б, в – двухфазная; а, б –  зернистая; в – оболочковая

 

 

 

 

 

 

 

Задание 2. Начертите схему установки и эскиз образца для испытания на ударную вязкость.

 

Рис.1. Схема маятникового копра 

 

Испытание на ударную  вязкость проводится на маятниковом  копре ХР-05, схема которого показана на рис. 1.  Копер состоит из массивного основания 1 с двумя вертикальными стойками 2. К верхней части этих стоек на горизонтальной оси подвешен  маятник 3, представляющий собой плоский стальной диск с вырезом. Кроме того, на оси маятника установлена стрелка 4, напротив которой к стойке 2 прикреплена шкала 5 для отсчета затрат энергии на разрушение  образца. Для фиксации маятника  в  исходном  верхнем  положении предусмотрена защелка  6.

На стойках 2 предусмотрены  опоры 7 для установки образцов 8 из испытуемого материала. Расстояние между опорами 7 регулируется в пределах от 40 до 70 мм (см. рис.3, а). Для образцов толщиной 5 мм и  менее, расстояние между опорами 7 принимают   мм, а для образцов толщиной более 5 мм –   мм.

При проведении  испытаний   маятник 3 поднимают  вверх и фиксируют защелкой 6. Стрелку 4 устанавливают на нуль, а на опоры 7 помещают испытуемый образец 8. Затем, повернув защелку 6, отпускают маятник 3, который при своем падении разрушит образец и двигаясь далее, переместит стрелку 4 по шкале 5, на   которой считывают величину энергии, сохраненной маятником после разрушения образца. Образец устанавливают на нижних опорах копра симметрично относительно опор и так, чтобы надрез был обращен в сторону, противоположную направлению удара.

 

 

 

Образцы для испытаний  на ударную вязкость изготавливают  механической обработкой из листов, плит или стержней; а также прессованием; или литьем под давлением. При испытании листовых и слоистых материалов толщиной менее 10 мм ширину поперечного сечения образцов принимают равной толщине этих листов.  На  образцах  следует  указать направление, соответствующее длине листа или плиты, из которых изготовлены эти образцы, так как механические свойства пластмасс в различных направлениях неодинаковы.

Образцы, изготовленные  литьем под давлением, в соответствии с ГОСТ 4647 – 84 имеют размеры поперечного сечения ( ) х ( ) мм и длину -   мм.

Поверхность образцов должна быть гладкой, ровной, без трещин, сколов, вздутий и раковин.

Форма  надреза стандартных образцов может быть в виде U, V, T.

Согласно ГОСТ 9454-78 в  качестве основного используется образец с U-образным надрезом, но в отдельных случаях применяются также образцы и с другой формой надрезов. V-образный выполняется с углом при вершине 45⁰ и радиусом закругления 0,25 мм, а роль T-образного надреза играет созданная на специальном приборе усталостная трещина. В соответствии с этим при записи ударной вязкости (КС) в ее обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза – KCU, KCV, KCT. 

Параметром KCV оценивается  пригодность материалов для сосудов  давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности. Параметр KCT характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Он учитывается при выборе металлов и сплавов для конструкций особо  ответственного назначения (летательные аппараты, роторы турбин и т. п.)

а)                                                                         б)

Рис. 2. Схема установки образцов: а) образцы из пластмасс; б) образцы из металлов

 

 

 

 

Задача: При испытании на маятником копре стандартного стального образца сечением 10х8 мм² ударная вязкость составила КС = 73 Дж/см², а остаток неиспользованной работы после удара был равен К₁ = 26 Дж. Определить работу удара К на излом образца и запас работы маятникового копра К₀ до удара.

Решение:

Ударная вязкость КС, работа удара  К и площадь поперечного сечения  образца S₀ связаны соотношением:

КС = К / S₀, откуда работа удара:

К = КС * S₀.

Площадь поперечного сечения образца:

S₀ = 10*8 = 80 мм² = 0,8 см².  

Тогда К = 73 * 0,8 = 58,4 Дж.

Запас работы маятникового копра определяется по формуле:

К₀ = К₁ + К = 26 + 58,4 = 84,4 Дж.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 3. Начертите в масштабе упрощенную диаграмму состояния сплавов железо-цементит и укажите на ней структуры и фазы по всем ее зонам и критические точки А₁, А₃, А_сm. Для сплава с содержанием углерода 3,0% определите критические точки и опишите превращения, происходящие в сплаве при охлаждении. Дайте определения всем структурам и фазам, образующимся по ходу охлаждения сплава.

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод  начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии  ликвидус), и заканчивается при  температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии  АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE. 
При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3-> Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов  ниже 1147°С будет: доэвтектических —  аустенит+ледебурит, эвтектических  — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом  состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при  охлаждении Υ-железа в α-железо и  распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита  вследствие уменьшения растворимости  углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и  концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь  состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 -> П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости  углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который  называется третичным цементитом.